Экспериментальная установка




Изучение внешнего фотоэффекта

 

Составители: Дандарон Г.-Н.Б.

Шагдаров В.Б.

Ваганова Т.Г.

 

 

Издательство ВСГТУ

Улан-Удэ, 2004


законченного изде­лия. В нем применена однокристальная микро - ЭВМ с соответствующими дополнительны­ми устройствами, позволяющими производить измерение тока фотоэлемента, установленно­го в объекте исследования, устанавливать и измерять питающие напряжения на фотоэлемен­те, а также осуществлять функции управления установкой (установка режимов прямого или обратного измерения и т.п.). В состав устройства измерительного входят также источники его питания.

Методика и техника эксперимента

1. Установите на объект исследования фотоприемник с исследуемым фотоэлемен­том и задвиньте бленду осветителя в окно фотоэлемента.

2. Подключите сетевые шнуры устройства измерительного и объекта исследования к сети и включите устройство измерительное выключателем СЕТЬ на его задней панели. При этом должны загореться индикаторы ОБРАТНАЯ, В и мкА устройства измерительного. На индикаторе В должны установиться нули (допускается индикация до значения 2 младшего разряда) После 5 минутного прогрева ручками УСТАНОВКА НОЛЯ на объекте исследования установить нулевое значение на индикаторе мкА устройства измерительного.

3. Включите объект исследования выключателем СЕТЬ на его передней панели. При этом должен загореться индикатор СЕТЬ объекта исследования.

4. Дать лампе осветителя прогреться в течение 15 мин.

5. Cпомощью кнопки ПРЯМАЯ - ОБРАТНАЯ выбрать необходимый режим измерения.

6. Установить необходимый светофильтр.

7. Изменяя значения напряжения с помощью кнопок "+"и"-" и считывая показания фототока с индикатора "мкА", получите данные для построения вольтамперной характеристики, устанавливая диск со светофильтрами в положение "5" и проверяя установку ноля тока при нулевом значении напряжения, повторите действия по п.п. 5-7. Заполните таблицу 1.

Примечание 1: при необходимости с помощью поворота кольца, расположенного на выходном окне объекта исследования, можно изменять освещенность фотоэлемента.

Примечание 2: При определении запирающего напряжения фотоэлемента необходимо нулевое значение тока считывать при уменьшении напряжения от нулевого значения до зна­чения запирающего напряжения, а не наоборот. Не рекомендуется также устанавливать зна­чение напряжения ниже запирающего.

 

 


Лабораторная работа №2

Изучение внешнего фотоэффекта

Цель работы:

1. изучить внешний фотоэффект;

2. построить вольтамперную характеристику фотоэлемента;

3. экспериментально определить значение задерживающего потенциала;

4. определить постоянную Планка.

Приборы и принадлежности: устройство измерительное, объект исследования ФПК10.01.03.00.00

Теоретическое введение

Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Сущность этого явления объясняется квантовой теорией излучения. Согласно Эйнштейну, свет не только излучается, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде отдельных порций энергии - квантов электромагнитного излучения - фотонов. Для монохроматического излучения с частотой n все фотоны обладают одинаковой энергией

e = hn, (h - постоянная Планка)

С квантовой точки зрения при падении света на поверхность металла происходит столкновение фотона с электроном металла. Энергия фотона передается электрону и фотон прекращает существование. Эта энергия идет на то, чтобы вырвать электрон из металла и сообщить электрону кинетическую энергию. Энергетический баланс этого взаимодействия для фотоэлектронов (в соответствии с законом сохранения энергии) описывается уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

(1)

где А – работа выхода электрона из металла - минимальное значение энергии, необходимое для выбивания электрона из металла; - максимальная кинетическая энергия электрона после выхода из металла; m – масса электрона

Уравнение (1) позволяет объяснить все основные законы внешнего фотоэффекта (законы Столетова):

1. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

2. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света, при которой еще возможен внешний фотоэффект (n0 зависит от химической природы вещества и состояния поверхности).

3. Число фотоэлектронов, вылетающих в единицу времени с поверхности при фиксированной частоте света, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна освещенности катода).

Рис.1

 

Для изучения фотоэффекта обычно используют устройство, принципиальная схема которого представлена на рис.I.

Вакуумная трубка содержит катод К из исследуемого металла и анод А. Напряжение между К и А регулируется потенциометром R и измеряется вольтметром V. Две батареи Б1 и Б2, включенные “навстречу друг другу”, позволяют изменять с помощью R не только абсолютную величину, но и знак U (ускоряющее и задерживающее напряжения). Фототок измеряется микроампер метром и возникает при освещении катода монохроматическим светом через кварцевое окошко трубки.

На рис.2 приведены кривые зависимости силы фототока I от напряжения U (вольт-амперные характеристики фотоэффекта), соответствующие двум различным освещенностям катода Е1 и Е2. Частота света в обоих случаях одинакова.

Существование фототока в области отрицательных напряжений от 0 до - U0 свидетельствует о том, что фотоэлектроны, выбитые из катода, обладают начальной кинетической энергией. За счет уменьшения этой энергии электроны могут совершать работу против сил задерживающего электрического поля и достигать анода. Для того чтобы I = 0, необходимо приложить задерживающее напряжение U0 (задерживающий потенциал). При U = U0 ни один электрон не может преодолеть задерживающее поле и достичь анода. Очевидно, что

, (2)

где e и m - заряд и масса электрона.

И так, при U £ -U0 фототок I = 0. Измерив экспериментально U0, можно определить максимальные значения скорости и энергии фотоэлектронов. При возрастании U фототок постепенно растет и достигает насыщения Iнас, т.е. все электроны, выбитые из катода, достигают анода.

Экспериментальная установка

Установка состоит из объекта исследования и устройства измерительного, выпол­ненных в виде конструктивно законченных изделий, устанавливаемых на лабораторном сто­ле и соединяемых между собой кабелем.

Объект исследования конструктивно выполнен в виде сборного корпуса, в кото­ром установлены осветитель (спектральная ртутная лампа) с источником питания, блок ин­терференционных светофильтров 1,2,3,4 и устройство регули­ровки освещенности.

Устройство измерительное выполнено в виде конструктивно

Таблица 1

Светофильтр 1 (l = 407 нм) Светофильтр 2 (l = 435 нм) Светофильтр 3 (l = 546 нм) Светофильтр 4 (l = 578 нм)
прямой режим обратный режим прямой режим обратный режим прямой режим обратный режим прямой режим обратный режим
I (мкА) U (В) I (мкА) U (В) I (мкА) U (В) I (мкА) U (В) I (мкА) U (В) I (мкА) U (В) I (мкА) U (В) I (мкА) U (В)
                               
                               
                               

8. По окончании работы необходимо отключить питание установки выключателями СЕТЬ (на задней панели устройства измерительного и передней панели объекта исследова­ния) и отключить сетевые вилки устройства измерительного и объекта исследования от питающей сети. Режим работы установки прерывистый - через каждые 45 минут работы делается перерыв на 15-20 мин.



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-08-20 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: